Производство неорганических кислот

Большую часть веществ, применяемых во многих от­раслях народного хозяйства, составляют неорганические вещества — кислоты, щелочи, соли, окислы; продукты ме­таллургии; строительной индустрии — цементы, керами­ки, стекло; других отраслей, имеющих важное значение для страны.

Немалое место среди этих веществ занимают кислоты — серная, азотная, соляная, фосфорная и другие.

Наиболее широкое применение находит серная кисло­та — фундамент химической промышленности, так как по­чти нет ни одной отрасли химического производства, в которой бы она не применялась.

Не менее важное значение имеет азотная и соляная кислоты.

Все это объясняется широким диапазоном их свойств, необходимых для осуществления многих процессов.

Серная кислота

Под названием «серная кислота» в технике подразуме­ваются любые смеси триоксида серы с водой. Моногидрат, или безводная серная кислота H₂S0₄, — тяжелая масля­нистая жидкость, смешивающаяся с водой в любых соот­ношениях; плотность 1,83 г/см³, температура кипения 296,2 °С, при дальнейшем нагревании разлагается на S0₃ и Н₂0, кристаллизуется при температуре +10,45 ⁰С.

Промышленность выпускает несколько сортов серной кислоты, отличающихся концентрацией основного вещест­ва и содержанием примесей. Основные сорта серной кисло­ты: 65-процентная — камерная, 75-процентная — башен­ная, 98-процентная — купоросное масло, олеум, 100-про­центная — химически чистая, аккумуляторная и др.

Высокая активность серной кислоты и сравнительно не­большая стоимость определяют огромные масштабы про­изводства и чрезвычайно разнообразное применение почти во всех отраслях народного хозяйства.

Наиболее крупным потребителем серной кислоты яв­ляется производство минеральных удобрений — супер-фосфата, сульфата аммония и др. В металлообрабатываю­щей промышленности серная кислота применяется для снятия ржавчины с поверхности черных металлов при под­готовке их к защитным или декоративным покрытиям ла­ками и цветными металлами. Большое количество серной кислоты расходуется на очистку нефтепродуктов. Произ­водство красителей, лаков, красок, лекарственных ве­ществ, некоторых пластических масс, многих ядохимика­тов, эфиров, спиртов было бы невозможно в современных масштабах без серной кислоты. Разбавленные растворы серной кислоты или ее солей применяют в производстве искусственного шелка, в текстильной промышленности. В пищевой промышленности серная кислота используется для приготовления крахмала, патоки и других продуктов.

В процессах нитрирования для производства многих органических соединений, в том числе и большинства взрывчатых веществ, также применяется серная кислота.

Сырье. Исходным сырьем для производства серной кис­лоты служит любое сырье, содержащее серу: различные колчеданы, отходящие газы металлургических процессов, топочные газы, чистая сера и др.

Получение серной кислоты. Технологический процесс получения серной кислоты состоит из трех стадий.

Первой стадией производственного процесса является получение сернистого газа S0₂.

Сернистый газ выделяют из топочных газов или отхо­дящих газов металлургических процессов сжиганием серы. При сжигании чистой серы, не содержащей ядовитых для катализатора примесей (мышьяк), получается газ, кото­рый может быть использован непосредственно (без очист­ки) для производства.

При сжигании кусковой серы применяются враща­ющиеся барабанные печи и неподвижные отражательные печи. Сжигание жидкой серы в распыленном состоянии проводят в неподвижных цилиндрических печах с раз­брызгивающими форсунками.

При получении сернистого газа из колчедана его под­вергают подготовке (дробление, просеивание, обогащение) и. обжигу. Для обжига применяют печи различного типа (механические полочные, обжиг в кипящем слое и др.)

При сжигании колчедана, с отходящим печным газом уносится некоторая часть колчедана и огарка в виде мель­чайшей пыли.

Отложение пыли на поверхности катализатора в кон­тактных аппаратах ведет к понижению активности ката­лизатора, а следовательно, и к понижению производитель­ности аппарата.

В серно-кислотной промышленности применяют меха­нический и электрический методы очистки газа от пыли.

При механической очистке в качестве пылеочистительных аппаратов применяют циклоны. Циклоны применя­ются для предварительной очистки печных газов от круп­ных частиц и пыли.

Для тонкой очистки применяется очистка в электро­фильтрах. После электрофильтра пыли остается 0,04-0,1 г/м³.

Для тонкой очистки сернистого газа от вредных газо­образных примесей (соединений мышьяка, селена) приме­няют мокрый электрофильтр, в котором используются жидкие химические реагенты, поглощающие эти примеси.

Вторая стадия — окисление сернистого газа до триоксида серы — протекает в присутствии катализатора, осо­бенность которого в том, что он непрочно удерживает кис­лород и легко отдает его сернистому газу. В зависимости от вида катализатора и характера процесса существует два способа получения серной кислоты: башенный (нитрозный) и контактный.

Башенный (нитрозный) способ. В производстве H₂SO₄ по нитрозному способу обжиговый газ предварительно ос­вобождается только от механических примесей. Дополни­тельной очистки газа от химических примесей-ядов (мышьяка, селена и др.) не требуется. Очищенный от пыли газ поступает в систему при температуре 350 °С. Газ про­ходит последовательно через все башни системы, где про­исходит образование серной кислоты путем поглощения S0₃ водой. В качестве катализатора применяют раствор окси­дов азота в серной кислоте (нитроза).

Контактный метод. Контактный метод производства был предложен в 1831 г. и реализован в промышленности в 1875 г. В настоящее время он является основным при производстве серной кислоты.

Быстрое развитие контактного метода производства объясняется возможностью получения чистой концентри­рованной кислоты и олеума — продуктов, имеющих боль­шое промышленное значение.

Производство серной кислоты контактным методом со­стоит из следующих основных стадий:

1. Очистка газов от примесей, вредных для процесса контактного окисления S0₂ в SO₃.

2. Окисления S0₂ в S0₃ на поверхности твердого ката­лизатора.

3. Поглощение трехокиси серы серной кислотой с полу­чением концентрированной H₂S0₄ и олеума (H₂S0₄ + SO_s).

Нитрозный способ дает кислоту, загрязненную приме­сями и разбавленную, что ограничивает ее использование. При необходимости концентрирования этой кислоты рез­ко возрастает расход топлива (для упаривания воды). Не­полный возврат окислов азота приводит к постоянным зат­ратам на дорогостоящую азотную кислоту, продукт более транспортабельный. Но расход колчедана, электроэнергии при данном способе несколько выше, чем при контактном, хотя башенные установки дешевле контактных, аппарату­ра контактного сернокислотного производства эксплуати­руется более длительный срок и требует Меньших затрат на ремонт.

Аммиак и азотная кислота

Соединения азота играют важную роль в народном хо­зяйстве. Они входят в состав минеральных удобрений, плас­тических масс, искусственных волокон, красителей, лаков, взрывчатых веществ, кислот и многих других продуктов. Но элементарный азот инертен, он трудно вступает в со­единения. Чтобы использовать азот, его сначала необходи­мо связать с другими элементами, получить связанный азот, а затем эти простейшие соединения превратить в бо­лее сложные. Наиболее рентабельным способом получения связанного азота является его синтез с водородом в виде аммиака NH_3. В основе данного способа лежит реакция:

N₂ + 3H₂ t; 2NH₃ + Q

Процесс производства аммиака включает две стадии:

1. Получение азота и водорода.

2. Синтез азото-водородной смеси.

Необходимый для синтеза аммиака, азот получают из воздуха. Чтобы выделить азот из воздуха, последний под­вергают глубокому охлаждению и ректификации и сжиже­нию. При испарении жидкого воздуха выделяют азот.

Водород производят несколькими способами:

1. Конверсией (взаимодействием) окиси углерода с во­дяным паром (СО + Н₂0 С0₂ + Н₂), используя при этом генераторный и водяной пар.

2. Конверсией метана — природного газа и окиси угле­рода.

3. Глубоким охлаждением комового газа, содержащего около 60% водорода.

4.Электролизом водных растворов и солей.

Наибольшее распространение получили конверсионные способы.

Синтез аммиака можно осуществить с применением ка­тализатора при температуре 450-550 °С и давлении. Ско­рость этой реакции зависит от температуры, давления, кон­центрации азота и водорода, содержания в них примесей и ряда других факторов.

Полученные тем или иным способом азот и водород, пройдя тщательную очистку, смешиваются в пропорции 1:3. Смесь газов поступает в колонну синтеза. Она пред­ставляет собой стальной цилиндр с толстыми стенками. Высота колонны до 13 метров, диаметр 1—2 метра. В ее верхней части расположен контактный аппарат, заполнен­ный катализатором, а в нижней — теплообменник. В ка­честве катализатора чаще всего используют губчатое же­лезо е добавкой активаторов (алюминий и кальций).

Азотно-водородная смесь с температурой 20-30 °С, по­даваемая в колонну, проходит теплообменник, где подо­гревается, а затем попадает в контактный узел. Проходя через слой катализатора, азот соединяется с водородом, при этом в аммиак превращается только 18-20% смеси. При выходе из колонны аммиак и непрореагировавшая часть смеси попадает в холодильник, в котором газообразный аммиак конденсируется. В газоотделителях жидкий амми­ак отделяется, а оставшаяся азотно-водородная смесь вновь подается компрессором в колонну на синтез (с добавкой новой порции газов).

Большая часть получаемого аммиака расходуется на производство азотной кислоты, удобрений, соды и ряда органических соединений.

Свойства и сорта азотной кислоты

Чистая азотная кислота HNO₃, при обыкновенной тем­пературе представляет собой бесцветную жидкость, замер­зающую при — 41 °С с образованием белоснежных кристал­лов. Водные растворы азотной кислоты в зависимости от концентрации кристаллизуются при различных темпера­турах.

Азотную кислоту используют в огромных количествах для производства минеральных удобрений, взрывчатых веществ и других продуктов. Много азотной кислоты расходуется в производстве серной кислоты по нитрозному методу.

Промышленность выпускает разбавленную (слабую) азотную кислоту трех сортов (1-й — 55%, 2-й — 47%, 3-й — 45%) и концентрированную (крепкую) азотную кис­лоту двух сортов (1-й — 98%, 2-й — 97%).

Производство азотной кислоты окислением аммиака

Процесс получения азотной кислоты окислением амми­ака включает три стадии:

1. Контактное окисление аммиака до окиси азота NO.

2. Окисление окиси азота до двуокиси азота NO₂,.

3. Абсорбция (поглощение) двуокиси азота водой с об­разованием азотной кислоты HN0₃.

Получают азотную кислоту в специальных установках.

Окисление аммиака кислородом воздуха происходит в контактном аппарате при температуре 800 °С в присутствии катализатора (сплав платины с родием, окись кобальта или железа и др.). Предварительно аммиак и воздух тщатель­но очищают и подают в смеситель. Затем воздушно-аммиачную смесь, содержащую 10-12% аммиака NH₃, после подогрева подают в контактный аппарат, где происходит реакция:

4NH₃ + 50₂ = 4NO + 6Н₂0 + Q

Окисление полученной окиси азота, идет по реакции:

2NO + 0₂ = 2N0₂ + Q

Образовавшиеся газы при температуре 800 °С поступа­ют в котел-утилизатор, охлаждаясь до 250 °С и далее — в холодильник, где дополнительно охлаждаются до 30 °С.

Абсорбция образовавшейся двуокиси азота водой про­текает по следующей реакции:

3N0₂ + Н₂0 = 2HN0₃ + NO + Q

Прямой синтез концентрированной азотной кислоты.

Прямой синтез концентрированной азотной кислоты заключается во взаимодействии жидкой четырехокиси азо­та с водой в присутствии газообразного кислорода.

Реакция образования азотной кислоты протекает сле­дующим образом:

2N₂0₄ + 2Н₂0 + 0₂ = 4HN0₃ + Q

Прямой синтез позволяет получать крепкую (концент­рированную) азотную кислоту.

Соляная кислота

Соляная кислота представляет собой бесцветную или желтоватого цвета прозрачную жидкость. Желтый цвет вызывается присутствием примесей, главным образом со­лей железа. Соляная кислота относится к числу наиболее сильных одноосновных кислот, энергично растворяет мно­гие металлы, реагирует с их окислами.

Соляная кислота применяется для получения хлорида цинка, алюминия, бария, магния, кальция, железа, для травления при пайке, при лужении, в гальванопластике, для чистки паровых котлов от накипи, используется в гид­рометаллургии платины, золота, серебра, в нефтяной промышленности при бурении нефтяных скважин. Кроме того, соляная кислота применяется при гидролизе древе­сины, при дублении и окраске кожи, при окрашивании тканей, в производстве красителей, уксусной кислоты, пла­стических масс и т. д.

Производство соляной кислоты включает два этапа: по­лучение хлористого водорода и поглощение его водой. Ме­тод получения хлористого водорода определяет способ про­изводства соляной кислоты.

В промышленности хлористый водород можно получать несколькими способами.

1. Сульфатный способ заключается в действии 92-93-процентной серной кислоты на поваренную соль при 500-550 °С:

2NaCl + H₂S0₄ - Na₂S0₄ + 2НСl

Процесс протекает в печах, обогреваемых топочными газами, имеющими температуру 950-1000 °С. Вследствие негерметичности печей концентрация получаемого хлорис­того водорода составляет 30-50%. Газ загрязнен брызга­ми серной кислоты и другими примесями, поэтому при аб­сорбции хлористого водорода водой можно получить толь­ко техническую соляную кислоту, концентрация которой не превышает 28-31%.

2. Синтез хлористого водорода из хлора и водорода нашел широкое применение во всех странах мира и в настоящее время является основным. По этому способу получают чистый концентрированный хлористый водо­род, содержащий 95-96% НСl. Абсорбцией синтетичес­кого хлористого водорода получают техническую соляную кислоту высокой чистоты, а в некоторых случаях — хи­мически чистую кислоту.

3. В последнее время на предприятиях органического синтеза (в производстве пластических масс, красителей, ядохимикатов и др.) хлористый водород получают как по­бочный продукт при хлорировании некоторых углеводо­родов. Полученный газ перерабатывается в соляную кис­лоту в аналогичных установках.

Крекинг и пиролиз нефти

В настоящее время в нефтеперерабатывающей промыш­ленности все большее значение приобретают химические процессы. Они позволяют резко увеличить выход целевых продуктов и улучшить их качество.

При перегонке нефти выход бензина составляет в сред­нем 10-25% веса взятого сырья. Такое количество бензи­на не может покрыть возрастающий спрос народного хозяйства на этот вид топлива. Увеличение производства бен­зина (как и других видов моторного топлива) достигается применением крекинга. Он представляет собой химико-тер­мический процесс расщепления молекул тяжелых углево­дородов, в результате которого образуется смесь веществ меньшего молекулярного веса.

Крекингу подвергают различные нефтепродукты, пре­следуя разные цели, но его главная задача — получение бензина, выход которого при этом может достигнуть 70% веса взятого сырья.

Существует два вида крекинга: термический и катали­тический.

Термический крекинг осуществляют при высокой тем­пературе и значительном давлении. В таких условиях мо­лекулы тяжелых углеводородов расщепляются легче.

Установка термического крекинга включает трубчатую печь для нагрева сырья, испарители, ректификационную колонну, газосепараторы.

Особой разновидностью крекинга является пиролиз. Он проводится при температуре 700—720 ⁰С и атмосферном давлении. Исходным материалом для этого процесса слу­жат легкие фракции: нефтелигроин и керосин. Цель пиро­лиза — получение газа и ароматических углеводородов.

Каталитический крекинг — более совершенный про­цесс крекингования, осуществляемый с применением ката­лизатора. Наличие последнего ускоряет разложение высо­комолекулярных углеводородов, позволяет вести процесс при более низкой температуре и давлении близком к ат­мосферному. Таким способом обычно получают авиацион­ный бензин, выход которого достигает 70% веса взятого сырья. Исходным материалом для каталитического кре­кинга служит преимущественно керосиновый и соляровый дистиллят.

Продукты переработки нефти. При переработке не­фти получают большое количество разнообразных продук­тов. Их можно разделить натри обширные группы: горю­чие, смазочные и прочие. К первой группе относится мо­торное, реактивное и котельное топливо, ко второй — смазочные масла и разнообразные консистентные смазки.

Состав пластмасс. Высокополимерные вещества применя­ются в чистом виде или с различными добавками. Первые называются простыми пластмассами (органическое стекло), вторые — сложными или композиционными пластиками.

В состав сложных пластмасс входят различные вещест­ва, которые по выполняемым ими функциям называются наполнителями, пластификаторами, красителями, смазы­вающими веществами и др.

Наполнители — вещества, вводимые в полимерные ма­териалы для их упрочения, придания им требуемых физи­ческих свойств и снижения стоимости.

В зависимости от формы частиц наполнители подразде­ляются на порошковые (древесная и кварцевая мука, порош­ки металлов и слюды), волокнистые (асбестовое, стеклянное, хлопчатобумажное и синтетическое волокно) и листовые.

Пластификаторы придают твердому полимеру мяг­кость, пластичность и увеличивают его упругость. Они спо­собствуют превращению твердых и хрупких смол в тесто­образное состояние, удобное для формоизменения.

В качестве пластификаторов применяют камфору, крезилфосфат, дебутилфталат и др.

Красители, вводимые в количестве 1-1,5%, окраши­вают пластмассы в требуемый цвет.

Связывающие вещества (олеиновая кислота, отеарат кальция и др.) предотвращают прилипание прессуемых из­делий к пресс-формам.

Стабилизаторы предотвращают распад полимерного ма­териала под действием света или повышения температуры.

Пожалуй, нет ни одной отрасли промышленности, ко­торая развивалась бы так быстро и широко, как произ­водство пластических масс. Объясняется это тем, что пласт­массы играют огромную роль в развитии техники и в быту.

Особенно широко применяются пластмассы в машино­строении. Большими потребителями пластмасс становятся строительная, электротехническая промышленность, про­изводство упаковочных средств.

Синтетические материалы постепенно вытесняют элек­тросварку. Широкое распространение получило склеива­ние металлов при помощи искусственных смол.

Пластмассы используются при сооружении трубопро­водов для перекачки различных жидкостей. Области при­менения пластмасс все увеличиваются, что объясняет все более увеличивающееся их производство.

Виды пластмасс и способы получения изделий

Процесс получения пластмассы начинается с изготов­ления ее основы — связывающего вещества. Раньше для этих целей использовали натуральный каучук, природные смолы (шеллак, янтарь), казеин и др. В настоящее время пластмассы вырабатывают главным образом на основе син­тетических смол, представляющих собой высокомолекуляр­ные соединения, получаемые, как правило, полимеризаци­ей или поликонденсацией.

Полученную тем или иным способом смолу охлаждают и после затвердевания измельчают, превращая в зернис­тый порошок.

При изготовлении сложных пластмасс, включающих по­мимо смолы другие вещества (наполнители, красители и т. д.) важным этапом производства является подготовка необхо­димых компонентов: дробление, измельчение, просеивание, сушка и т. п. Затем порошкообразные составляющие сме­шивают с измельченной смолой. Смесь пропускают через вальцы для придания ей однородности. Из готовой массы получают пресспорошок, который поступает на дальней­шую переработку в детали.

Из полимеризационных пластмасс широкое применение получили полиэтилен, полимеры и соколимеры хлористо­го винила, фторпроизводные этилена, полиакрилаты, по­липропилен, полиизобутилен, поливинилацетат, полифор­мальдегид и др. Они выпускаются без наполнителя, термо­пластичны, обладают хорошими диэлектрическими свойствами, высокой ударной вязкостью (за исключением полистирола), химически стойки, но большинство из них имеют низкую теплостойкость.

Важную для промышленности группу полимеров состав­ляют поликонденсационные смолы, к которым относятся фенолоальдегидные, полиамидные, полиэфирные, эпоксид­ные и другие смолы.

Изделия из пластмасс изготавливаются преимуществен­но формообразующими операциями, основанными на ис­пользовании пластичности исходного материала. Обработ­ка резанием применяется, как правило, при доводочных операциях.

Недостатки механической обработки, заключаются не только в потерях на отходы, но и в ухудшении свойств материалов.

Перед подачей в форму материалу необходимо придать наибольшую допустимую пластичность, что достигается его подогревом.

Нагрев многих термопластических материалов приво­дит их в такое высокотекучее состояние, что из них могут быть получены детали сложной формы без создания высо­кого давления.

Литьем в формы получают детали различной конфигу­рации, которые затвердевают непосредственно в формах в результате поликонденсации и полимеризации, а также ос­тывания или затвердения растворителя.

Формовое прессование. При формовом прессовании ис­ходным материалом заполняется пресс-форма, а затем по­средством пуансона производится прессование (рис. 30).

Формование при низком давлении и в вакууме. Для из­готовления крупногабаритных деталей применяется фор­мование при низком давлении.

Формы для формования изделий при низком давлении изготавливают из гипса, бетона, дерева, полимерных и лег­коплавких материалов. Формующим силовым элементом является эластичный баллон из резины или из полимерного материала, в который под давлением 8—12 атм подается воздух, вода или масло.

При вакуумном формовании форма с исходным мате­риалом помещается в баллон, из которого затем выкачи­вается воздух.

Плитовое прессование. Методом плитового прессования получают листы и плиты, а также детали более сложной формы (втулки подшипников скольжения, заготовки шес­терен и др.). Плитовым методом прессуют текстолит, асбестотекстолит, гетинакс и др.

Для изготовления слоистых пластиков листовые напол­нители пропитываются связующей смолой и укладывают­ся на плитах или формах, соответствующих конфигура­ции детали, затем заготовки устанавливают на пресс, на­гревают и прессуют.

Количество листов наполнителя зависит от толщины материала и степени его уплотнения.

Литье под давлением. Этим методом в основном фор­муются изделия из термопластичных материалов, но иног­да его используют для получения деталей из термореак­тивных материалов (рис. 31).

Исходный материал загружается в бункер литьевой ма­шины, из которого он определенными дозами поступает в нагревательный цилиндр, после нагрева нагнетательным поршнем материал подается в пресс-форму.

Выдувание. При этом методе заготовка приобретает конфигурацию внутренней полости пресс-формы.

Экструзия. Представляет собой процесс непрерывного выдавливания полимерного материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, через отверстие в мундштуке экст-рудера (рис. 32).

В зависимости от формы отверстия мундштука можно получать полосы, листы, трубы и фасонные профили. Этот метод переработки пластмасс применим главным образом для термопластов, но в последние годы освоено выдавли­вание и термореактивных материалов.

Формование из листа применяется при переработке термопластичных материалов и получении из них изделий сложной формы с большой поверхностью и малой толщи­ной стенок.

Химические волокна: свойства, характеристика

Волокна, которые получают химической переработкой синтетических или природных высокомолекулярных соеди­нений, называются химическими волокнами. Они разделя­ются на два вида: синтетические волокна, которые изго­товляют из синтетических смол, и искусственные волокна, изготавливаемые из природных полимеров, большей час­тью из целлюлозы.

Синтетические волокна значительно превосходят при­родные по прочности на разрыв, которая не снижается после их смачивания, и близки по этому показателю к ста­ли; они не уступают природным волокнам по эластичнос­ти и вполне устойчивы к микроорганизмам. Полиамидные волокна (капрон и др.) обладают наивысшей эластичнос­тью и устойчивостью к истиранию и находят самое широ­кое применение. Лавсан ближе всего по внешнему виду к шерсти и в смеси с ней дает ткани, отличающиеся устой­чивостью к истиранию и несминаемостью (не требуют гла­жения). Нитрон отличается наивысшей прочностью к све­ту и нагреванию, близок по внешнему виду к шерсти.

Искусственные волокна уступают хлопку по прочности на разрыв, но более эластичны и близки по этим показате­лям к шерсти. У тканей из вискозного и особенно из аце­татного волокна красивый вид и блеск, что делает их сход­ными с шелковыми. Штапельные вискозные и ацетатные волокна применяют в смеси с хлопком для изготовления штапельных тканей. Высокопрочная вискозная нить близ­ка по свойствам к нити из полиамидных волокон. Ткани из триацетатного волокна характеризуются несминаемостью.

Разработка способов получения химических волокон открыла безграничные возможности создания волокон, пре­восходящих природные волокна по свойствам и отвечаю­щих разнообразным требованиям. Во многих случаях хими­ческие волокна пришли на смену природным — хлопку, льну, шелку, шерсти и др. По темпам развития производ­ство химических волокон опережает производство есте­ственных. Производство химических волокон позволяет применять механизацию и автоматизацию технологических процессов. Себестоимость химических волокон, как пра­вило, ниже себестоимости естественных.

Высокая экономическая эффективность их получения и применения, полная независимость производства от кли­матических и почвенных условий, практическая неисчерпа­емость сырьевых ресурсов и возможность выпуска волокон с новыми, невиданными ранее свойствами. Так, затраты в человеко-днях на производство 1 т волокна составляют: для шерсти — 400, для хлопка — 238, а для вискозного штапеля — всего 50. Если свойства природных волокон изменяются в узких пределах, то химические волокна мо­гут обладать комплексом заранее заданных свойств в зави­симости от их будущего назначения. Из химических воло­кон вырабатываются товары широкого потребления — ткани, трикотаж, меховые изделия, одежда, обувь, обив­ка, спортинвентарь, драпировка, щетки, бортовая ткань, галантерея, заменители кожи, а также технические изде­лия — корд, фильтровальные ткани, обивка для машин, рыболовные снасти, не гниющие в воде, канаты, паруси­на, парашюты, аэростаты, скафандры, искусственная щетина, приводные ремни, брезенты высокой прочности, по­жарные рукава, шланги, транспортерные ленты, хирурги­ческие нитки, различная спецодежда и т. п. Химические волокна используются для герметизации и уплотнения ап­паратов, работающих в агрессивных средах.

Технологические процессы производства химических волокон

В производстве различных химических волокон из при­родных полимеров и из смол имеется много общего, хотя каждый метод одновременно обладает своими характерны­ми особенностями. Принципиальная схема производства химических волокон независимо от исходного сырья делит­ся на четыре стадии:

1)получение исходного материала;

2) приготовление прядильной массы;

3) формование волокна;

4) отделка волокна.

Получение исходного материала может быть осущест­влено не из любого материала, а только из такого, молеку­лы которого обладают строгой линейной или малоразветвленной структурой. Если сырьем является природное вы­сокомолекулярное соединение, то его предварительно необходимо очистить от примесей. Для синтетических во­локон это синтез полимеров — получение смолы.

Приготовление прядильной массы. Для получения ис­кусственных волокон на основе эфиров целлюлозы их раст­воряют в 5-6-процентном растворе едкого натра и таким образом получают прядильный раствор. Прядильную мас­су для изготовления синтетических волокон готовят раст­ворением или расплавлением полимера.

Формование волокна, или прядение, заключается в вы­тягивании нити из раствора или расплава полимера. С этой целью раствор или расплав продавливают через очень ма­ленькие отверстия — фильеры (рис. 33). Тонкие струйки раствора или расплава, выходящие через фильеры, обра­батывают химическими реагентами или охлаждают, в ре­зультате чего они твердеют и превращаются в нити.

Фильеры устанавливают на прядильной машине. Каж­дая машина снабжена 60-100 фильерами. Существует два способа формования волокна — мокрый и сухой.

Мокрый способ используется в случае прядения волок­на из раствора (рис.34). Прядильный раствор продавли­вается через отверстия-фильеры и попадает в раствор, на­ходящийся в осадительной ванне.

Выдавливаемые через фильеры струйки .прядильного ра­створа реагируют с раствором осадильной ванны с образова­нием нитей волокна, которые наматываются на бобину.

Мокрый способ используют для изготовления искус­ственных волокон — вискозного, медно-аммиачного, иног­да — синтетических волокон.

Сухой способ применяется в случае прядения волокна из раствора или из расплава полимера. При сухом формо­вании волокна (рис. 35) попадают в виде тонких струек в шахту прядильной машины, в которую поступает нагре­тый воздух. Сухой способ применяют для получения ис­кусственных волокон, например ацетатного, а также неко­торых синтетических волокон.

Отделка волокна включает удаление загрязнений, суш­ку, в случае необходимости — его отбеливание и окраску. Как правило, все волокна подвергают обработке жиросо-держащими растворами для облегчения их переработки в процессах ткачества, вязания и др.

Каучук и резина. Свойства, характеристика, получение

Каучук представляет собой углеводород, который от­носится к группе высокомолекулярных соединений. Важ­нейшие его свойства — изменение формы под влиянием внешних сил и способность принимать начальную форму, если действие этих сил устранено.

Каучук имеет огромное значение в технике. На основе каучуков изготавливают резиновые, резино-тканевые и резино-металлические изделия, используемые в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, транс­порта и в домашнем обиходе. Из каучуков изготавливают более 40 000 наименований резиновых изделий: автомо­бильные и авиационные шины, приводные ремни, гибкие шланги и рукава, детали машин, электроизоляционные ма­териалы, предметы санитарии и гигиены и т. д.

Широкое применение резины объясняется ее высокой прочностью, эластичностью, амортизационными свойства­ми, хорошей сопротивляемостью к истиранию. Резина ус­тойчива к многим химическим средам и поэтому применя­ется для футеровки различных химических реакторов и изготовления уплотнительных деталей.

Каучуки подразделяются на натуральные и синтети­ческие.

Как известно, натуральный каучук — это эластичный материал растительного происхождения; применяемый преимущественно для изготовления резины и резиновых изделий. Содержится он в каучуконосных растениях в виде млечного сока (латекса) или отдельных включений в клет­ках их коры и листьев.

В настоящее время новые искусственные каучуки про­изводятся из попутных газов, получаемых при добыче неф­ти, из природных газов и являются как по качеству, так и по стоимости лучшими и более экономичными, чем естест­венный или синтетический каучук, получаемый из пище­вого сырья.

Наиболее распространенным вулканизирующим веществом является сера.

Ускорители сокращают время вулканизации, уменьша­ют потребное количество серы, позволяют снизить темпе­ратуру процесса. В качестве ускорителей применяют окись магния и свинца, гидроокись кальция, окись цинка.

Активаторы сокращают время вулканизации и повы­шают прочность резины. Для органических ускорителей в качестве активаторов применяют цинковые белила и окись магния.

Наполнители в зависимости от влияния на резиновую смесь разделяются на активные (усилители) и неактивные. Активные наполнители вводят в резиновую смесь как для увеличения ее объема, так и для улучшения свойств рези­ны, неактивные — только для увеличения объема.

Для придания резине требуемой окраски в смесь вво­дят органические и неорганические красители, отличаю­щиеся светостойкостью, устойчивостью при вулканизации и большой красящей способностью (окись титана и хрома, цинковые белила, охра).

Для облегчения смешения каучука с порошковыми ма­териалами и обработки резиновой смеси в нее вводят в ко­личестве 5—20% мягчители (мазут, масла, каменноуголь­ные смолы, канифоль и др.).

Под длительным действием кислорода воздуха проис­ходит старение резины, заключающееся в изменении фи­зических, химических и механических свойств. Для пре­дохранения от старения в состав резиновых смесей вводят в количестве 0,5—2% от веса каучука противостарители — вещества, вступающие в химическое взаимодействие с кис­лородом и предохраняющие этим резину от старения.

Классификация резин

По назначению резины подразделяются на следующие группы:

1. Резины общего назначения, эксплуатируемые при температуре от -50 до +150 °С (шины, обувь, ремни, амор­тизаторы и др.).

2. Теплостойкие резины, применяемые при температу­ре выше 150°С (детали самолетов, машин, электродвига­телей и т. п.).

3. Морозостойкие резины, устойчивые при работе из­делий в условиях Крайнего Севера, Антарктиды и на боль­ших высотах.

4. Химически стойкие резины, устойчивые к озону, кис­лороду, кислотам, щелочам, растворам солей и т. д.

5.Маслостойкие резины, устойчивые в бензине, керо­сине, нефти.

6.Газонаполненные резины, применяемые как тепло­изоляционный материал.

7. Резины, стойкие к действию радиации и применяемые для изготовления деталей рентгеновских аппаратов и т. п.

8. Диэлектрические резины, используемые для изоля­ции кабелей и в других целях.

Технологические процессы изготовления резино-технических изделий

Процесс изготовления резиновых изделий состоит из нескольких стадий:

1)приготовление сырой резиновой смеси из ингредиентов;

2) изготовление или формование заготовок или изделий из сырой резиновой смеси;

3) вулканизация изделий;

4) отделка изделий.

В зависимости от назначения резинового изделия, тре­бований, предъявляемых к его свойствам и форме, приме­няют различные виды переработки.

Каландрование — процесс получения резиновых лис­тов или профильных заготовок, покрытие тканей слоем ре­зины, сдваивание листов и др. Выполняется на специаль­ном оборудовании — каландрах, основным рабочим орга­ном которых являются валки (рис. 36).

По выходе из валков каландровая резина проходит ох­ладительные барабаны и поступает на транспортер, где с прокладочным полотном закатывается в рулоны.

Каландровую резину с гладкой поверхностью и без воз­душных пузырей можно получать толщиной 0,15-1,2 мм.

Технологические этапы изготовления керамических изделий

Технологический цикл получения керамических изде­лий состоит из добычи и подготовки сырья, получения пластичной массы, формирования изделий, их сушки, об­жига и отделки.

Добыча глин осуществляется в карьерах. Ее осуществ­ляют обычно вблизи от керамических заводов, поэтому карьерные работы можно считать частью производствен­ного цикла керамики.

Методы добычи глин определяются мощностью пласта и характером его залегания.

Недопустимо поступление в производство мерзлой гли­ны, так как это приводит к повышению брака. Это вызы­вает необходимость утепления карьеров. Однако экономи­чески более выгодно годовой запас глины обеспечивать в теплый период. Вылеживание замоченной глины и ее вы­мораживание в течение года способствует разрушению при­родной структуры глины, она дисперсируется на элемен­тарные частицы, что обусловливает повышение формовоч­ных свойств.

В зависимости от свойств исходного сырья и вида изго­тавливаемой продукции подготовку глиняной массы осуще­ствляют полусухим, пластическим и шликерным методами.

По первому способу сырьевые материалы после предва­рительного дробления на вальцах сушат до остаточной влажности 6-8%, затем измельчают, просеивают, увлаж­няют (до влажности 8—10%) и перемешивают.

При пластическом способе сырье дробят, тонко измель­чают и увлажняют до получения однородной пластичной массы влажностью 18—22%.

По шликерному способу высушенные сырьевые мате­риалы измельчают в порошок и смешивают с водой до по­лучения сметаноподобной однородной массы — шликера. Его используют для формования изделий методом литья.

Полусухой способ подготовки массы позволяет сокра­тить энергетические затраты и время на сушку (или вовсе ликвидировать этот этап). Однако при этом возрастают усилия прессования и пылевые выбросы. Данный метод ре­ализуется преимущественно для плоских изделий простой формы (плитки для облицовки и полов).

Пластический метод позволяет получать изделия более сложной формы, чем первый. Он обеспечивает меньшие уси­лия прессования, чем при полусухом. Обязательным этапом в этом случае является сушка изделий перед спеканием. Этим методом изготавливается кирпич, черепица, трубы.

Шликерный способ позволяет получать изделия прак­тически любой формы. Но при этом методе требуется дли­тельный этап сушки, при котором имеют место большие объемные изменения, которые часто приводят к нежела­тельным деформациям. Этот способ из перечисленных наи­более длителен и энергоемок. Им производятся санитарно-технические изделия, декоративная керамика и др.

Сушка — ответственный этап технологии. В процессе сушки из формовки удаляется свободная влага. Изделие при этом дает усадку, называемую воздушной. Важно обес­печить такие условия, при которых скорость продвиже­ния влаги от внутренних слоев к наружным не слишком разнилась бы со скоростью удаления влаги с поверхности. В противном случае наружные слои будут высыхать на­много быстрее. В них будут появляться напряжения, спо­собные привести к трещинообразованию. Поэтому процесс сушки идет либо при комнатных температурах, либо при слабом нагреве и носит длительный характер.

Обжиг — главная часть технологического процесса. Сум­марные затраты на обжиг достигают 35—40% себестоимости товарной продукции. При обжиге происходят химические и физические процессы, изменяющие состав и свойства мате­риала (происходит формирование структуры). Максималь­ная температура спекания керамики достигает 1400 °С

При обжиге происходит сближение частиц массы и стя­гивание их за счет образования жидкой фазы. Это приво­дит к появлению усадки, называемой огневой. Этот про­цесс при сильной интенсивности может сопровождаться рас­трескиванием. Поэтому нагрев и охлаждение при спекании проводят плавно, в соответствии с подобранным графиком.

Для спекания применяют различные нагревательные агрегаты. Наибольшее распространение получили туннель­ные, поскольку они легче автоматизируются и обеспечива­ют более эффективное использование тепловой энергии.